|
|
Tailoring of cooling procedure during freeze-casting for bone replacement applications.
Šantavý, Tomáš ; Novotná, Lenka (referee) ; Salamon, David (advisor)
Bachelor thesis focuses on preparation of hydroxyapatite ceramics by freeze-casting. Hydroxyapatite is an important ceramic material, due to its biocompatibility, biodegradability and bioactivity it has a wide range of use in medicinal applications especially in replacement of bone material. The chosen method, freeze-casting, is flexible, eco-friendly and we are able to achieve a high level of porosity. The method includes freezing, freeze drying and sintering which creates a porous structure of the prepared material. Objective of this bachelor thesis was to find out the impact on the created porosity and mechanical properties of the final material. Freezing rates were applied 3, 4, 5, 6, 7 and 26 m/s. During the experimental part it was established that the freezing rate has a significant influence on the newly formed inner microstructure, it directly influences the interlamellar distances and mechanical property which is compressive strength. With liquid nitrogen with a speed of 26 m/s the achieved compressive strength was of 15 MPa as well as the shortest interlamellar distances of 14-22 µm. With slower freezing rate the average interlamellar distances were 40-150 µm and compressive strength of 2-4 MPa with comparable porosity.
|
|
|
Antibacterial properties of bioceramic materials
Achberger, Šimon ; Částková, Klára (referee) ; Salamon, David (advisor)
Implant surgery carries a risk of infection caused by bacterial contamination of the implant surface. An effective way to inhibit proliferation of bacteria is via antibacterial surfaces, however, their usage is medically and technologically difficult. Previous research shows that cicada wing topography exhibits unique bactericidal properties. In this thesis, various topographies were fabricated using heat treatment under hydrothermal conditions. The goal was to produce a surface covered by high aspect ratio structures with 60–215 nm width and 200–300 nm length. A relative density of 85%, 12 hrs long heat treatment and solution pH 4 and 5,6 had a positive effect on formation of thin surface structures. Quantity of morphological changes was proportional to -tricalcium phosphate content.
|
|
|
3d shaping of UV curable ceramic feedstock
Mišák, Jiří ; Salamon, David (referee) ; Graule, Thomas (advisor)
Diplomová práce je zaměřena na přípravu koloidních suspenzí, vytvrditelných UV zářením, jenž jsou určeny k 3D tisku komplexních keramických vláknových struktur. Rovněž jsou v práci představeny techniky následného tvarování vytisknutých a vytvrzených struktur. Z hydroxyapatitu ve formě prášku a komponent, vytvrditelných UV zářením, byly vytvořeny pasty, určené k 3D tisku komplexních keramických vláknových struktur a multivrstev. U takto vytisknutých a vytvrzených struktur bylo navíc dosaženo zlepšení kvality povrchu a soudržnosti vláken. Pro výrobu past, určených k 3D tisku, s vhodnými reologickými vlastnostmi je nezbytné důkladné pochopení interakcí mezi částicemi, surfaktantem a monomerní/oligomerní směsí. Za použití lineárních a zesíťujících oligomerů jako disperzního média vznikají po tisku a UV vytvrzení velmi flexibilní vláknové mřížky, které lze dále tvarovat a takto vytvářet rozmanité struktury. Tyto struktury jsou následně slinuty, bez významných vad na povrchu či delaminace vrstev, za vzniku složitých keramických těles. Vysoké kvality povrchu je dosaženo UV vytvrzením vytisknutých struktur v argonové atmosféře, která brání kyslíkové inhibici radikálů v blízkosti povrchu vláken. Výhody kombinace 3D tisku s UV vytvrzováním jsou demonstrovány v této práci za užití dvouvrstvých flexibilních struktur, určených k následným metodám 3D tvarování. Takto vytvořených složitých 3D struktur je jen velmi obtížné, ne-li nemožné, dosáhnout pouze užitím přímého 3D tisku. Na základě této práce může být v budoucnu odvozena univerzální teorie k přípravě past, určených k 3D tisku komplexních keramických struktur pro různé aplikace.
|
|
|
Hydroxyapatite based ceramic composites
Vojtíšek, Jan ; Ptáček, Petr (referee) ; Bartoníčková, Eva (advisor)
This work was focused on the study of hydroxyapatite based bioceramic materials. These materials are generally very important for medical purposes, especially in the reconstruction and replacement of bone material. For medical applications, inert, bioactive or bioresorbable materials can be used. One of the common "bioactive" materials is hydroxyapatite, which forms a large part of human bone. Hydroxyapatite can be prepared by a wide variety of procedures, one of the most common methods is the precipitation reaction used in this work. To improve the biocompatibility of the bone replacement, porous structures with adequate mechanical stability are used. For the initial study of simulation of the behavior of biomaterials in the human body, called in vitro tests are used in solutions based on synthetic body fluids or cell media. The experimental part deals with the synthesis of hydroxyapatite powder and CA phase composite compounds. The reactions between the individual components were studied by thermal analysis and heat microscopy. The resulting products were analyzed for phase composition by X-ray diffraction. The prepared powders were further processed on foam structures by in situ foaming and sintering at a suitable temperature. In vitro tests, following the behavior of the prepared porous products in the synthetic body fluid, were performed for 7, 14 and 28 days. The monitored composites were then studied for biocompatibility by scanning electron microscopy. At the same time, the change in the concentration of Ca2+ and PO43- ions in the body fluids tested was monitored.
|
|
|
Fabrication and characterization of solution precursor hydroxyapatite coatings deposited via hybrid water-stabilized plasma gun
Antoš, Zdeněk ; Tkachenko, Serhii (referee) ; Čížek, Jan (advisor)
Hydroxyapatite coatings have been used as a barrier between a metal core of replacement and living tissue for long time in medicine. Plasma spray is a typical technology for preparation these coatings. This thesis concerns a new plasma spray technology with hybrid system of arc stabilization (WSP-H). Simultaneously it uses an innovative method of feeding the initial material in a form of water suspension (SPPS). The aim of this thesis was to produce water solutions of hydroxyapatite and make coatings with WSP-H. These coatings were characterized in terms of their morfology, chemical and phase composition. Their biocompatibility was tested by a cultivation and an analysis of RAW 264.7 and MG-63 cells. The coatings made by SPPS have a very rough surface which is suitable for biological application. The biocompatibility testing discovered that the coatings will by tolerated in a human body very well. This method of production of hydroxyapatite coatings could be a good replacement of older methods after a better optimalisation of the processing parameters and after reaching purity of coating.
|
|
|
Structure and Properties of Collagen/HAP Nanocomposite Networks
Kopuletá, Ema ; Lehocký,, Marián (referee) ; Amler,, Evžen (referee) ; Jančář, Josef (advisor)
Polymerní biomateriály jsou jedním ze současných populárních témat vzhledem k možnosti potenciální aplikace v tkáňovém inženýrství a řízeného dávkování léčiv v organismech. Kolagen je jako jeden z nejčastěji se vyskytujících proteinů zvláště zajímavý díky svým rozmanitým vlastnostem bez imunoreakce organismu příjemce. Tato práce je zaměřena na samouspořádávací procesy, kinetiku, obecné zákonitosti řídící proces samouspořádání a mechanické vlastnosti kolagenních roztoků. Dále je zkoumán efekt hydroxyapatitových nanočástic na samouspořádávání kolagenu a mechanické vlastnosti výsledných nanokompozitních hydrogelů. Jsou objasněny možné mechanismy interakcí mezi kolagenem I a hydroxyapatitem spolu s popisem vývoje struktury a vlastností na různých úrovních struktury. Byly měřeny a molekulárně interpretovány závislosti viskoelastických veličin na smykové rychlosti spolu s viskoelastickým chováním. Dále byla studována struktura kolagenních scaffoldů a určen vliv HAP a síťování. Závěrem byly diskutovány výsledky v souvislosti s jejich aplikovatelností v tkáňovém inženýrství chrupavek tvrdých tkání a v regenerativní medicíně.
|
|
|
Shaping of bioceramic hydroxyapatite scaffolds on micro level
Pejchalová, Lucie ; Novotná, Lenka (referee) ; Salamon, David (advisor)
Due to increasing average age of population around the world, there are more patients who need surgery of musculoskeletal system. In some cases, it is even necessary to implant new bone scaffold or replace joints. Hydroxyapatite is the most frequently used material for its biocompatibility and bioactivity. On the other hand, mechanical properties constraints its use in porous scaffolds. The method providing both good mechanical stability and high porosity is freeze – casting. This method utilises controlled freezing to form lamellar structure. During freezing of slurry, ice crystals grow in direction of temperature gradient. In next step, ice crystals are removed by lyophilisation and lamellar structure is revealed. This structure is relatively unstable and needs to be reinforced by sintering. There are many aspects affecting resulting structure – freezing schedule, slurry concentration etc. We used water/ceramic slurries in various concentrations of hydroxyapatite (7,5 % vol., 10 % vol., 15 % vol. and 20 % vol.). These slurries were used for preparation of porous bone scaffolds. We tried to add 3D mash to form net of channels and we observed favourable changes in porosity. 3D mash was removed during sintering. Resulting bioceramics structure was highly porous (up to 90 %). These scaffolds had an acceptable ration between porosity and mechanical stability, too. We considered, adding of 3D mash, as good way to form channels of desired properties.
|
|
|
Synthesis of foamed bioceramics for potential medical applications
Doboš, Petr ; Šoukal, František (referee) ; Palou, Martin (advisor)
Cílem práce byla příprava porézních vzorků HAP pro potenciálně medicínské aplikace. HAP byl připraven metodou sol-gel a precipitační. Vzorky HAP byly podrobeny analýze FTIR, XRD, SEM. Takto připravený HAP byl napěněn pomocí houbové metody s jasně definovanými póry a pomocí polymerního a skleněného expanzelu s různou distribucí a velikostí pórů. U výsledných napěněných vzorků byla vyhodnocena mikrostruktura a povrchová analýza pomocí SEM, zjištěna porozita pomocí Hg porozimetru a sledována bioaktivita in vitro v SBF. Byly zjištěny jasně definované makro, mezo a mikro póry při různé distribuci. U houbové metody pomocí sol-gel došlo k vytvoření jasně definovaných a pravidelných pórů s monodisperzní porozitou. Dominantní velikost póru byla stanovena v rozmezí 1–5 µm. Celková porozita byla stanovena na 63,5 % s celkovým povrchem 3,048 1 m/g. Precipitační metodou s polymerním expanzelem došlo k polydisperznímu rozložení pórů s třemi hlavními fázemi v rozmezí: 50–100 µm, 5–10 µm a 0,5–1 µm. Celková porozita byla stanovena na 67,6 % s celkovým povrchem 19,090 3 m/g. Bioaktivita výsledných napěněných vzorků in vitro byla sledována po dobu 7 dnů v připraveném SBF. Při napěnění sol-gel houbovou metodou nevznikla výsledná bioaktivní vrstva. U precipitační metody napěněné pomocí polymerního expanzelu vznikla nepravidelná bioaktivní vrstva. Výsledky byly naměřeny pomocí SEM analýzy.
|
|
|
Effect of bioceramic additives on morphology, physical and biological properties of collagen scaffolds for bone tissue engineering
Klieštiková, Nikola ; Poláček, Petr (referee) ; Brtníková, Jana (advisor)
Diplomová práce se zabývá přípravou trojrozměrných porézních kolagenových kompozitních nosičů pro tkáňové inženýrství kostí a studiem vlivu přídavku biokeramických částic na morfologické, biomechanické a biologické vlastnosti. Teoretická část popisuje biomateriály a biokeramické částice používané pro nosiče v tkáňové inženýrství kostí a jejich metody výroby. Pokud jde o experimentální část, byly vzorky připraveny metodou lyofilizace. Testovaným materiálem byl kolagen typu I z prasečího a hovězího zdroje, který byl kombinován s hydroxyapatitem a směsí -fosforečnanu vápenatého s -fosforečnanem vápenatým v poměrech 1 : 1, 1 : 2 a 2 : 1. Byl hodnocen vliv rozpustnosti a velikosti částic na morfologii, mechaniku a biokompatibilitu nosičů. Přidání biokeramických částic změnilo morfologii vzorků. Velikost pórů se snížila, zatímco pórovitost byla ve všech testovaných vzorcích téměř stejná. Biokeramické částice také způsobily, že kolagenová matrice nosičů byla méně hydrofilní, a navíc dokázaly stabilizovat nosiče proti působení enzymatické degradace. Biomechanické vlastnosti vzorků byly testovány v suchém i mokrém stavu. V suchém stavu dosáhl nejvyšší pevnosti v tlaku čistý bovinní kolagenový nosič, naopak v hydratovaném stavu, dosáhly nejvyšší hodnoty vzorky obsahující biokeramické částice. Žádný ze vzorků nebyl cytotoxický a nejvhodnější prostředí pro buněčnou adhezi a proliferaci bylo v čistém bovinním kolagenovém nosiči a také v kolagenovém kompozitním nosiči s poměrem HAp : -TCP : 1 : 1.
|
|
|
Rheological properties of biodegradable thermosensitive copolymers
Chamradová, Ivana ; Poláček, Petr (referee) ; Vojtová, Lucy (advisor)
Hlavním cílem předložené diplomové práce byla příprava, charakterizace a reologická studie "inteligentních" injektovatelných hydrogelů, které jsou biodegradovatelné, biokompatibilní a s řízenou životností sestávajících se z hydrofilního polyethylenglykolu (PEG) a hydrofobního kopolymeru kyseliny polymléčné a polyglykolové (PLA/PGA). Výsledný termosenzitivní PLGA–PEG–PLGA kopolymer, který geluje při teplotě lidského těla, byl dále funkcionalizován anhydridem kyseliny itakonové získané z obnovitelných zdrojů, přinášející jak reaktivní dvojné vazby tak i funkční –COOH skupiny na konce kopolymeru. Navíc byl PLGA–PEG–PLGA kopolymer modifikován bioaktivním anorganickým hydroxyapatitem pro použití jako injektovatelné kostní adhezivum. Oba modifikované kopolymery jak ITA/PLGA–PEG–PLGA/ITA tak i PLGA–PEG–PLGA/HAp ovlivňují reologické vlastnosti původního PLGA—PEG—PLGA kopolymeru rozhodující o tom, zda by mohly být nové polymerní materiály vhodné jako injektovatelné nosiče léčiv nebo kostní lepidla v lékařských aplikacích. Experimentální část této práce je zaměřena především na charakterizaci viskoelastických vlastností jak nemodifikovaného PLGA—PEG—PLGA kopolymeru tak i s přidáním ITA nebo HAp metodou obrácených testovacích vialek (TTIM) a dynamickou reologickou analýzou. Výhodou TTIM je vizualizace přechodu sol-gel, určení kritické gelační teploty a kritické gelační koncentrace. Reologická měření poskytují informace o viskozitě a vizkoelasticitě gelu změnou elastického (G´) a ztrátového (G´´) modulu. Připravené kopolymery byly také charakterizovány 1H NMR a GPC. Povrch a velikost částic HAp byl popsán pomocí SEM a laserového analyzátoru částic. Původní PLGA—PEG—PLGA kopolymer i kopolymer modifikovaný ITA a HAp vykazovaly sol-gel přechod vyvolaný zvýšením teploty. Reologické vlastnosti kopolymerů v koncentračním rozmezí 6 až 24 hm. % ve vodě byly studovány buď TTIM nebo užitím reometru a získané výsledky spolu velmi dobře korespondovaly. Reologické vyhodnocení prokázalo dvě „překřížení“, kde G´ =G´´. První překřížení velmi dobře korespondovalo s prvním sol-gel přechodem nalezeným prostřednictvím TTIM. Maximální hodnota G´ odpovídající nejvyšší tuhosti polymerního gelu byla situována v bílém gelu. Druhý fázový přechod představuje přechod mezi gelem a suspenzí, kdy je bílý polymer oddělen od vody. Tuhost gelu roste s rostoucí koncentrací polymeru ve vodě. Pro srovnání, kopolymer modifikován jak ITA, tak i přidáním HAp (0, 10, 20, 30, 40, 50 hm %) vykázal zvýšení tuhosti gelu oproti původnímu kopolymeru PLGA–PEG–PLGA a přiblížení teploty maximální hodnoty G´ tělesné teplotě (37 °C). Bylo prokázáno, že jak ITA/PLGA–PEG–PLGA/ITA kopolymer tak i PLGA—PEG—PLGA/HAp kompozit jsou vhodnými kandidáty na injekovatelné systémy pro řízené uvolňování léčiv či kostní adhezivum pro ortopedii nebo zubní aplikace.
|
guest ::
